智能数控提高机床能效的研究

丁春伟，樊留群，，邱玮，侯磊

（1.同济大学中德学院，上海 201804；2.同济大学沈阳机床上海研究院，上海 200082）

智能数控提高机床能效的研究

丁春伟1，樊留群1，2，邱玮2，侯磊1

（1.同济大学中德学院，上海 201804；2.同济大学沈阳机床上海研究院，上海 200082）

为了研究数控机床的能耗问题，设计了机床能耗的整体测试方案，对数控机床能耗进行分析，确定机床各个相关部件的能耗情况，采用Matlab工具建立机床能耗仿真模型。在加工循环中，测量机床运行总能耗，根据加工循环及相关参数，利用能耗仿真模型对机床能耗进行仿真，将仿真结果和实际测量能耗进行了对比，验证了模型的准确性。研究了在数控系统中集成能耗的监视及预测等功能，并给出了基于能耗的智能化数控系统的架构，该架构为进一步研究提高智能数控机床能效提供了依据。

数控机床；能效；仿真；系统构架

0 引言

近年来由于全球气候变暖，资源越发紧张，低碳、节能制造开始成为各国新的研究热点。为了研究评判机床能耗情况，欧盟制定了专门针对机床的环境评价的ISO/TC39/WG12标准。

美国的研究学者得出结论：加工能耗占总能耗的比例很小［1］。德国ECOMATION项目中有学者运用Simscape对机床交流电机和离心泵搭建了能耗模型，实现了机床能耗的预测［2］，另一位德国学者提出了机床非加工状态下基于图形化的能耗优化理论［3］。

国内一些科研人员［4，5］建立了普通机床主传动系统的能耗模型，不仅分别建立了主传动系统的电机部分和机械传动部分的能量模型，同时还建立了两者的集成模型。

随着数控机床的普及，机床高能效必然要在数控系统中有所体现。为了实现高能效，需对机床能耗进行深入研究、建立模型并进行仿真等工作，可在此能耗研究的基础上在机床设计及使用这两个阶段对机床能耗进行优化。本课题阐述了机床能耗测量、建模、仿真等关键步骤，并给出了智能化数控系统能耗仿真平台的整体构架。

1 能耗测量

以一台实际机床（SMTCL ETC 3650）为例，提供一种实用的测量方法。将机床运行状态进行细分，分析在各种运行状态下机床部件的工作情况，对机床部件的能耗进行测量，并对能耗进行分析，记录机床部件的能耗值。

1.1机床系统层次划分

数控机床具有能量源多、能流环节多、能量运动规律和损耗规律复杂等特点［6］。首先分析机床的电气原理图，对机床的各个电气元件划分等级（见图1）。可基于能耗流向特性将机床分为与负载相关能耗和与负载无关能耗，如图2所示，分为6大子系统［7］，与负载有关部分：主轴系统、进给系统，与负载无关部分：润滑与冷却系统、液压系统、辅助系统（计算机系统、换刀系统等）以及外设系统（电柜风扇、照明系统等）。

图1　主要电气元件Fig.1 Main electrical components

图2　数控机床能耗模型Fig.2 Energy consumption model CNC machine tool

1.2测量方案

根据上述机床的耗能系统归纳为6大子系统：Ems主轴能耗系统、Ef进给能耗系统、Ee换刀能耗系统、Ea辅助能耗系统、Ec控制能耗系统、Eoe其余外部设备能耗系统。并对机床运行状态进行了划分，主要分为7种状态：机床关、控制器关、急停、控制开、待机、操作准备就绪以及操作生产。

为了尽可能简化测试过程，必须合理安排测量过程。根据测试设备，在保证覆盖所有机床的耗能部件的前提下，本次测量共设置了7个测试场景。此外还设置了机床在这7个场景中要完成的一致的动作（即上文提到的7种状态），这样数据处理时可方便的将不同场景的相应部件能耗拼接在一起，此外该过程要尽可能保证每个场景中机床的各个动作时间一致。测量负载相关能耗时应尽量保证时间及测量的有效性。

1.3记录并分析结果

研究与负载无关部件能耗时相对简单，而分析与负载有关部件的能耗情况时，还需同时记录负载及切削过程中相关参数。与空载时相比有负载能耗的主要变化与主传动系统有关，机床主传动系统一般包括电机驱动和机械传动两个部分，每个部分的能量消耗都十分复杂［8］。通过NI USB-6218 BNC采集器读取到所需的电压以及电流信号，由于数据采集量很大，故借助Matlab工具进行数据处理。如图3（a）所示为主传动系统及总能耗的测量数据，整理分析所有部件能耗图后可得到在各状态下的机床子系统以及整体能耗情况，见图3（b）。

图3　机床系统耗能Fig.3 The energy consumption of machine tool system

2 机床能耗建模及仿真

2.1机床能耗的数学模型

机床总体能耗既与机床运行状态相关也与机床负载相关，建立整个机床能耗模型不仅需要机床操作状态信息，还需要机床负载信息。机床运行过程中的电能消耗在上述中提到的6大子系统上，不同阶段具有不同的能耗特点。要准确地反映机床在实际工作中的能耗特性、获得机床数学能耗模型，要对机床各个系统进行具体分析。整个机床运行阶段能耗为：

式中：ETotal—运动阶段总能耗；Ems—主轴能耗；Ef—进给系统能耗；Ee—换刀系统能耗；Ea—辅助系统能耗；Ec—控制系统能耗；Eoe—其余外部设备能耗。式（1）中与负载无关系统中耗能部件的功率一般为定值，其运行时间与功率的乘积为其能耗值，而与负载有关的能耗还需考虑负载情况，主轴功率和进给系统的能耗可表示为：

式中：Pme、Pmc分别为主轴空转和有负载时的功率（W）；m、n分别为主轴空转和有负载的工序总数；ti1、ti2和tj1、tj2为主轴第i、j道工序时间起始点。对于车床：

式中：ap—切削深度（mm）；f—每转进给量（mm/rev）；vc—切削速度（m/min）；Kc—特定工件材料的比切削力（MPa）。进给系统能耗有：

式中：Pie、Pic分别为第i个进给轴空载和负载切削时的功率；α—与切削要素和进给速度有关的系数；T1、T2分别为第i个进给轴空载和切削运行时间。

2.2机床能耗仿真模型

根据上述数学模型以及实际测量的部件能耗数据，就可建立机床能耗仿真模型以计算机床的实际功率。根据上述分别建立7种状态与各个部件能耗的对应模型，以及记录的各个部件在不同状态下的能耗值，利用Matlab/Simulink中Stateflow工具箱建立基于机床状态转换的能耗模型，对机床的能耗进行仿真。

机床状态之间的转换是由机床对应部件的开关信号决定的，故将部件开关信号作为仿真模型的输入量。根据机床状态转换顺序和时间，可确定相应的输入信号。

部件的状态特性既可以通过文字也可以通过图形来建模（见图4）。如冷却马达具有两种状态“开”和“关”。冷却马达的初始状态为“关”。功率P_CM为0。出现操作冷却开关指令时，冷却马达切换到“开”。初始时冷却马达的峰值功率P_CoolingMotor_Peak。持续运行时，功率大小保持为P_CoolingMotor。下一个冷却开关指令发出时冷却马达将再次关闭。结合模型与机床各个部件的能耗数据和运行时间参数，就可以很准确地仿真出机床的总能耗。但这里要特别注意机床的主轴和进给轴的能耗与负载有关，故其能耗还需根据负载和其他相关因素确定。

图4　图形及文本模型Fig.4 Graphics and text model

2.3仿真与测量结果对比

选取一个机床的加工循环作为能耗仿真和测量对比的实验。首先测量一个指定的加工循环的能耗，并记录数据，根据该加工循环确定仿真输入，如图5所示。加工循环共有5个切削过程，以75s前的第一次切削过程为例，动作顺序依次为：打开主开关和控制器、急停开关、设置驱动器使能、照明开启后复位，切削并冷却。5个切削加工完成后在350s左右快速急停并关闭控制器，照明随即关闭，最后在375s左右主开关断开。

图5　仿真输入Fig.5 Simulation input

其中主轴及进给系统能耗需根据切削过程计算，例如本次实验为车削奥氏体不锈钢外圆，工件硬度HB200，工件直径75mm，第一次切深为1mm，走刀量0.1mm/r，切削速度100m/min，材料单位切削力为2900N/mm2，加工长度为100mm，那么功率可根据公式（3），计算得切削功率P为483W。同样方法计算主轴和进给轴功率并将相关数据输入仿真程序，利用输入信号对机床功率进行仿真，得到功率图形，并将其与所测量的实际功率作对比（如图6所示）。根据其功率图形数据进行计算处理得实际测量总能耗为：158.56Wh，仿真能耗为148.26Wh。从这次实验来看，该模型的误差为7%。

图6　测量与仿真对比Fig.6 Comparison of measurement with Simulation

3 能耗仿真平台的整体构架

根据能耗因素建立能耗仿真平台的作用主要有以下两个方面：一方面利用能耗仿真平台，在机床设计阶段机床制造商可以基于高能效对机床部件及结构进行优化，最终实现提高能效的目标；另一方面在机床使用过程中可利用仿真平台对机床能耗进行仿真，通过改变切削、刀具轨迹等参数方法，达到提高能效的目的。

3.1机床能耗监控

机床实现在线能耗监测可以为进一步实施机床节能降耗措施提供数据支持。现在越来越多的数控机床开始使用国际统一的总线来联接机床的控制器和各个运动部件，这对于机床加工能耗的监控有着很大的帮助，这将意味着可以设置相关程序，在系统内部通过运动部件的伺服直接读取到该部件的实时工作电压和电流，从而能够更方便地通过程序计算出机床的能量消耗功率，并可以通过显示器直接瞬时地将数据显示在屏幕上，都能够很直观地给用户提供实时的加工能耗信息。

3.2机床能耗仿真预测

实现精确预测能耗这一目标重点在于：一方面，建立起准确的部件能耗数据库，与负载无关部件能耗值固定，容易确定，而与负载有关的部件则要找出这些部件的耗能规律，研究并确定每个轴的功率与工件及相关因素之间的关系。另一方面，需将加工程序与机床的运行状态对应起来，根据由加工程序和其他相关因子确定仿真模型输入信号，利用该信号通过对应的能耗预测模型计算最后所需的能耗。

如图7所示为能耗仿真平台的整体构架。能耗仿真预测功能对于提高机床能效起到了至关重要的作用。首先在机床设计阶段，机床设计人员可选择满足使用条件的不同结构部件，根据相关因素对机床能耗进行仿真，依据仿真结果在部件库中选择最优能效的机床结构，以提高机床能效。

图7　能耗仿真平台的整体构架Fig.7 Overall framework of energy consumption simulation platform

同样在机床使用过程中可以基于已有的能耗模型，对该零件的加工程序进行分析，在加工程序执行前对它进行预读，即在译码阶段对该程序进行分析，将机床的物理模型、状态模型以及数学模型进行对应，使得加工程序与部件的能耗形成对应关系，对能耗进行预测，并在数控系统中将能耗模型图形化，而后可通过优化走刀轨迹及切削参数等因子提高能效。

4 结束语

本文主要介绍了测量机床能耗的方法，实际测量了车床ETC3650的各部件的能耗情况，建立了机床的能耗模型，并将能耗模型仿真的能耗与实测能耗相对比，该模型的精度误差可控制在7%以内，表明了模型的可靠性。最后提出能耗仿真平台的整体构架，并阐述了能耗仿真平台中的监控和预测功能，为进一步提高机床能效打下了基础。

［1］GUTOWSKI T，DAHUS J，THIRIEZ A.Electrical Energy Requirements for Manufacturing Processes［C］//13th CIRP International Conference on Life Cycle Engineering，Leuven，Belgium，2006.

［2］EISELE C，SCHREMS S，ABELE E.Energy-Efficient Machine Tools through Simulation in the Design Process［J］.Glocalized Solutions for Sustainability in Manufacturing，2011，5.

［3］EBERSPAECHERA P，VERTA A.Realizing energy reduction of machine tools through a control integrated consumption graph-based optimizationmethod［J］.ProcediaCIRP，2013，7.

［4］刘飞，等．机械加工系统能量特性及其应用［M］．北京：机械工业出版社，1995．

［5］施金良，刘飞，许弟建.变频调速数控机床主传动系统的功率平衡方程［J］.机械工程学报，2010，3.

［6］赵平，胡韶华.基于数控机床载荷损耗特性的能耗在线监测方法的研究［J］.机床与液压，2013，17.

［7］胡韶华.数控机床通用能耗模型及其应用［J］.组合机床与自动化加工技术，2013，10.

［8］罗应娜.一种数控机床切削功率在线估计方法［J］.机械与液压，2014，1.

Research on Intelligent CNC to Improve the Energy Efficiency

DING Chun-Wei1，FAN Liu-Qun1，2，QIU Wei2，HOU Lei1
（1.Sino-German School，Tongji University，Shanghai 201804，China；2.SMTCL Research Institute，Shanghai 200082，China）

To study the energy consumption of machine tool，an energy test plan is designed，the energy consumption of the machine tool is analyzed，the energy consumption of all relevant components are determined，an energy consumption model of the machine tool based on Matlab is proposed.During machining the total energy consumption of the machine is tested，and according to the machining cycle and related parameters the energy consumption of machine tools is simulated，then the results of test and simulation are compared，the accuracy of the model is verified.Relevant intelligent features in CNC system，such as energy monitoring and forecasting and other functions based on energy consumption are studied，and an architecture of intelligent CNC system based energy consumption，which lays a foundation to further research to improve the energy efficiency of intelligent CNC machine tools，is provided.

CNC machine tool；energy efficiency；simulation；system architecture

TH11

A

10.3969/j.issn.1002-6673.2015.02.044

1002-6673（2015）02-116-04

2015-02-09

丁春伟（1990-），男，江苏人，硕士研究生。主要研究方向：数控技术及工业自动化；樊留群（1964-），男，陕西人，教授，硕士生导师。主要研究方向：机电控制，数控技术，智能制造。